基于小型振动台实验的输电塔结构减隔震研究

王 浩

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

近年来，国内兴建了许多输电塔类型结构，该结构具有长周期特性，在水平荷载作用下易发生大变形，从而导致结构破坏，产生危害。而传统减震方法主要考虑结构刚度和强度，弊端较多。研究表明：采用结构振动控制技术可有效减小输电塔受到的地震作用，提高结构的抗震性能，意义重大。目前结构振动控制方法有基础隔震和阻尼器减震等。其中，基础隔震和调谐质量阻尼器减震在高耸结构振动控制技术中应用最广泛[1]。

基础隔震措施是指在基础和结构底部之间安装隔震设备，限制能量从基础传至上部结构。其原理是改变结构的基本周期，避开地震作用下地面运动的卓越周期，达到减小地震作用对上部结构影响的目的[2]。我国隔震技术发展已经很成熟，在高层建筑、公路、桥梁等方面得到广泛应用。

调谐质量阻尼器（TUNED MASS DAMPER,TMD），又称动力吸振器，是结构被动控制措施的一种。主要用于抗风和人体舒适性，由主结构和附加其上的子结构（TMD）组成，其中子结构包括质量系统、刚度系统和阻尼系统等，具有质量、刚度、阻尼的综合特性。目前，TMD 系统在我国结构振动控制领域已有广泛应用，如台北101 大厦等。但阻尼器在设计方面仍存在不足，如：TMD系统会增加结构质量，进而扩大地震作用[3]；TMD安装位置受限；仅对结构某几阶振型有效。这些不足在一定程度上限制了TMD 的应用和发展。

在地震和强风作用下，输电塔可能发生塔体倾斜、倾覆，构件破坏等，而当前输电塔的减震控制方法主要是非线性锤摆吸振器、环形调节质量阻尼器等，这些方法主要是风振控制，对结构抗震方面研究较少。根据当前输电塔在减隔震措施方面存在的不足以及调谐质量阻尼器本身缺点，搭建输电塔模型进行相关研究。以模型为基础，对比基础隔震和安装调谐质量阻尼器对地震波作用下结构振动控制效果的不同，研究质量、刚度、阻尼参数对调谐质量阻尼器减震效果的影响。

1 研究方案

为更好地控制输电塔结构振动，采用基础隔震和安装调谐质量阻尼器两种方法来进行分析。按照输电塔结构形式，采用建筑结构设计思想设计一个小型模型，其概念设计图见图1。

图1 输电塔模型概念图

根据概念图选取合适材料搭建输电塔，再利用输电塔进行振动控制研究。对该塔施加不同的外部激励，获得不同的减震措施下的结构响应数据。对数据进行时域和频域分析，了解不同措施对模型的减震控制作用。具体研究路线见图2。

图2 研究路线

2 模型的设计与制作

2.1 模型设计

为保证实验结果准确性，设计过程要充分考虑相似性准则，要满足几何相似、物理相似和边界条件相似，具体设计如下：输电塔模型共分4 层，从下往上高为200 mm、150 mm、150 mm 和100 mm，顶部搭设高20 mm 的塔尖，层间用4 个X 形支撑，共计16 个。塔从底向上逐渐收分，4 个柱脚间尺寸为150×150 mm ；一层顶部4 个柱子间尺寸为100×100 mm，二层为80×80 mm，三层为60×60 mm，四层为50×50 mm ；连接柱子的横梁各端向外伸出10 mm。4 根主要承力柱截面为3×6 mm，其余构件截面为3×3 mm，节点支架用胶水粘接。模型尺寸见图3。采用竹条的材料参数为抗拉弹性模量27.60 GPa,抗拉强度547.68 MPa。

图3 模型详细尺寸（单位：mm）

2.2 模型制作

根据模型尺寸采用竹条进行搭建，共分六步。一，材料准备。包括3×3 mm 方形截面长度为1 m的竹条、胶水、模型垫板、小刀、剪刀、磨砂纸和记录本；二，制作构件。按尺寸截取支撑柱、横梁、X 形支撑长度；三，模型定位。在垫板上定位模型中心和柱脚位置；四，框架搭建。安装支撑后搭设外部框架，形成整体框架；五，安装X形支撑。每层柱子间安装X 形斜撑，加固结构；六，完成模型。安装塔尖、强化节点，完善模型。

3 实验方案

采用两种实验方法研究不同减隔震法对高耸塔振动控制效果的影响。

3.1 基础隔震实验

日本学者河合浩藏认为先在地基上纵横交错放置几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在其上盖房，可削弱地震传递的能量[4]。按此思路，实验制作了基础隔震体系（见图4）。以该体系为基础进行实验。先在结构上安装加速度传感器，用于加速度响应信号采集；将模型、圆木从上向下放在垫板上，再两边放置定位器，防止垫板运动距离过大；最后施加激励并进行信号采集。人工在垫板上施加外部激励，从而引起结构振动。实验共包含三个工况：一为无隔振措施；二为设置4根滚轴；三在高耸塔上悬垂重物。分别测量、记录模型一、二、三层在各工况下的加速度响应信号。

图4 基础隔震体系

3.2 调谐质量阻尼器实验

采用细绳、砝码和橡皮筋来组装成TMD 系统，细绳模拟刚度系统，砝码模拟质量系统，橡皮筋模拟阻尼系统。将细绳绑在结构上，与模型形成整体，然后粘贴在振动台上，再装上传感器（见图5），完成实验前准备。

图5 TMD 实验

制定TMD 系统时需计算细绳长度，其长主要由模型固有频率决定。采用 Welch 法来分析该塔固有频率，得到模型的功率谱曲线（见图6），通过峰值拾取得到该结构的第一阶频率为0.5 Hz。结合单摆公式（1）， 得到细绳长度为0.99 m，因实际情况无法满足，最终决定细绳实际长度为13 cm。

图6 点自功率谱幅频曲线

此次振动台实验选用hollister 地震波，观察初始现象，振动较小，再将地震峰值调整为0.4 g，地震波长为30 s。实验前共制定16 个工况，每个工况又分为一、二层。实验时采用传感器采集响应信号，因振动方向结构响应较大，所以此次响应信号主要关注振动方向的加速度和角速度响应。

4 实验结果分析

通过基础隔震实验和TMD 实验获得模型一至三层的加速度响应和角速度信号。对信号进行时域和频率分析，研究不同措施的减隔震效果[5]。

4.1 基础减隔震结果分析

设置传感器采样频率为50 Hz，人为施加激励，测得模型在一、二、三层运动方向的加速度信号。

4.1.1 时域结果分析

对响应信号进行时域分析。提取三种情况下的加速度响应极值分析控制效果，处理结果见表1。可发现增加减隔震措施后，除第一层外，二、三层的减隔震效果明显增加，可达50%左右。可见，基础隔震措施对结构振动控制具有较强效果。实际工程中可采用类似的基础隔震措施，减小高耸结构的振动，从而起到保护结构安全的目的。

表1 减隔震效果分析

4.1.2 频域结果分析

对测得的加速度响应信号采用Welch 法进行频域分析，研究对应不同频率时能量的大小，分析结果见图7。从能量角度分析可发现，对于结构第一层，采用滚轴隔震减小结构振动能量，增加质量却增加了结构振动能量。对于结构第二、三层，两种减隔震措施明显降低了结构振动能量，其中采用滚轴隔震效果最好。

图7 各层自功率谱密度

4.2 TMD 实验结果分析

TMD实验采用振动台施加激励，每次振动30 s，传感器采样频率为50 Hz，通过实验获得了模型施加激励方向的加速度响应信号和角速度信号，对其进行时域和频域分析。

4.2.1 时域结果分析

以实验测得的加速度响应信号为基础，按照TMD 质量的不同对其进行分类汇总，发现不同形式的细绳以及质量会对结构振动控制起不同效果。提取各工况的加速度响应极值进行对比（见表2），可发现：尼龙丝工况，10 g 时隔振效果最好，一层效果达6%，二层达15% ；尼龙丝加橡皮筋工况，5 g 时隔振效果最好，一层效果达5%，二层达12% ；细钢丝工况，20 g 时隔振效果最好，一层效果达2.3%，二层达11%。再对角速度极值进行分析（见表3），可发现TMD 装置未对一层起减隔震作用，对二层起一定的作用。

表2 模型在不同TMD 下的一、二层加速度信号

表3 模型在不同TMD 下的一、二层角速度信号

4.2.2 频域结果分析

根据上节得到的最优振动工况进行频域分析。最优工况为挂绳尼龙丝、砝码10 g ；挂绳尼龙丝加橡皮筋、砝码5 g ；挂绳细钢丝、砝码20 g，采用Welch 法进行自功率谱分析。可发现，采用适当的TMD 系统能一定程度降低结构振动能量，但与基础隔震措施相比降低较少。可见采用TMD 措施不如基础隔震对输电塔结构振动控制效果强。

4.3 实验结果对比分析

通过对比基础隔震和调谐质量阻尼器对输电塔的振动控制效果可发现，虽然人为激励每次施加会有所区别，但基础隔震措施对第二层的振动控制效果达56%，对第三层的控制效果达47%。调谐质量阻尼器实验每次施加的外部激励相同，选择较为合适的TMD 系统，一层隔振效果达6%，二层效果达15%。可见采用基础隔震措施比安装调谐质量阻尼器更能达到最优的振动控制效果。

5 结论

通过搭建输电塔模型，并以此为基础，采用基础隔震和安装调谐质量阻尼器进行结构振动控制，施加人为激励和地震激励研究不同措施对结构振动控制效果，发现：①从时频域角度分析，两种措施均对结构振动控制起一定效果，基础隔震效果优于安装调谐质量阻尼器。②采用基础隔震，除第一层外，二、三层减隔震效果明显增加，可达50%左右。③安装调谐质量阻尼器，采用不同形式细绳和不同质量砝码隔震效果有所不同，最优为尼龙丝工况，砝码10g 时效果。④增加阻尼可适当降低TMD 质量，取得较好的减震效果。